粘土 与钻 井的 关系
（1）粘土作为钻井液的重要组成成分，配浆原材料。 （2）涉及钻井过程中井眼的稳定性，粘土是泥页岩的主要组成部分， 75%地层为泥页岩，90%的井壁不稳定发生在泥页岩。 （3）油气层的保护，粘土矿物膨胀、钻井液配浆粘土堵塞。
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本次课讲授内容
任务一：1.粘土矿物的晶体结构；
2.带电性；
粘土矿物
PPT 资料收集：封远飞
资料汇总：李宽 技术顾问：乔兴生
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粘土矿物在钻井液中的价值
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钻井泥浆是由粘土、水（或油）和少量处理剂混合形成，具有可调控的粘性、 比重和降失水等性能，在大多情况下能够满足悬排钻碴、稳定井壁、防止漏失、 冷却润滑钻具的基本钻进需要，并且来源广泛，成本较低，配制使用方便，所 以成为应用最广泛的钻井液。
氢氧
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任务一：粘土矿物的晶体结构 一、粘土矿物的两种基本构造单元 铝氧八面体晶片：多个铝氧八面 体通过共用的OH连接而成的Al-O 八面体网络。
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任务一：粘土矿物的晶体结构 二、几种常见粘土矿物的晶体构造 2、几种常见粘土矿物的晶体构造 （1）高岭石 高岭石晶体结构示意图
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任务一：粘土矿物的晶体结构 二、几种常见粘土矿物的晶体构造 （2）蒙脱石 蒙脱石晶体结构示意图
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任务一：粘土矿物的晶体结构
灰色和棕色泥岩 砂岩
灰黑色泥岩
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任务一：带电性 一、带电性 ☞定义：指粘土矿物在与水接触时的带电符号和带电量 ☞粘土带电性验证：电泳实验（粘土在水中移向正极，带负电荷）
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任务一：带电性
2. 电荷产生原因
电荷来 永久电荷（晶 构格 造取 电代 荷） 源 表面电荷（受 可粘 变土 电表 荷面 ） p化 H 值学 等变 的化 影
3.阳离子交换量；
任务二：粘土矿物的水化机理
1.蒙脱石
2.高岭石
异同点
3.伊利石
任务三：DLVO原理
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任务一：粘土矿物的晶体结构
一、粘土矿物的两种基本构造单元 1、硅氧四面体与硅氧四面体晶片
硅氧四面体：有一个硅原子与四个氧原子， 硅原子在四面体的中心，氧原子在四面体 的顶点，硅原子与各氧原子之间的距离相 等，其结构见右图。
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任务一：带电性
（2）表面羟基与H+与OH-的反应（可变电荷） 在酸性环境中：羟基与H+反应，粘土带正电性。
﹥Al-OH + H+
﹥Al+ + H2O
在碱性或中性条件下：羟基与OH-反应，粘土带负电性。
Байду номын сангаас
﹥Al-OH + OH-
﹥Al-O- + H2O
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任务一：带电性
（3）吸附
物理吸附，氢键，分力子等 分类 化学吸附，化学键力
离子交换吸附，离子换交
吸附负电性离子（OH-、SiO32-）：使粘土负电性增加 吸附正电性离子（NW-1）：使粘土负电性减少
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任务一：带电性
CEC：pH值等于7的水溶液中100g粘土中可被交换出来的阳离子电荷总数。 粘土带电量通常用CEC表示，CEC越大，说明粘土所带负电荷越多，三种 常见粘土矿物的CEC大致如下。
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任务二：粘土矿物的水化机理 粘土矿物的水化机理
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任务二：粘土矿物的水化机理 概念：各种粘土只会吸水膨胀，只是不同的粘土矿物水化膨胀的程度不同而已，粘 土水化膨胀受三种力制约：表面水化力，渗透水化力和毛细管作用
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任务二：粘土矿物的水化机理
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任务二：粘土矿物的水化机理
蒙脱石、高岭石、伊利石相同点 共同点：都属于硅铝酸盐，其晶体形状都是层片状的，层与层之间靠-Si-O....Al-O间的
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前言
（1）粘土矿物：细分散的（≤2μm）含水的铝硅酸盐类矿物的总称，
可进一步分为晶质（具有晶体结构的）和非晶质，自然界中所见到的粘
粘
土矿物绝大多数是晶质的。
土
（2）粘土：疏松的尚未固结成岩的以粘土矿物为主的（≥50%）沉积物。
（3）粘土岩（俗称：泥页岩）：粘土矿物经沉积、固结成岩作用后成 为粘土岩。
(1)永久电荷 晶格取代：粘土矿物晶体结构中一部分阳离子被另外一部分阳离子所取代 （置换），但晶体结构不变的现象。 由于晶格取代是低价阳离子取代了高价阳离子，产生了过
剩的负电荷，因此，一般情况下粘土带负电。 伊利石与蒙脱石相比虽晶层结构相同但由于晶格取代位置不同，因此层面电 荷密度不同，水化难易程度不同。
氢键或范德华力相连接。在无水（干燥）情况下，层间距离很小（大约1微米左 右），而在有水的情况下，层间会吸附和填充大量的水，层间距离可能增加到2— 3微米，而且在粘土分子的作用下，水分子被解离成H+正离子和OH-负离子，分别 吸附到粘土的晶体平面（一般呈负电性）上和端面（一般呈正电性）上，这时的 粘土就成为“水化粘土”了。与干燥粘土相比，水化粘土具有胶体性质，包括膨 胀性、流变性、动电性、分散或絮凝性等。
顶氧
底氧
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任务一：粘土矿物的晶体结构 一、粘土矿物的两种基本构造单元
硅氧面体晶片：指硅氧四面体网络。 硅氧四面体网络由硅氧四面体通过 相临的氧原子连接而成，其立体结 构见右图。
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任务一：粘土矿物的晶体结构
一、粘土矿物的两种基本构造单元 2、铝氧八面体与铝氧八面体晶片
铝氧八面体：六个顶点为氢氧 原子团，铝、铁或镁原子居 于八面体中央(如右图所示)。
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任务二：粘土矿物的水化机理
蒙脱石、高岭石、伊利石不相同点 高岭石： Bitmap Bitmap Al4[Si4O10]·(OH)8 晶体属三斜晶系的层状结构硅酸盐矿物。
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任务一：粘土矿物的晶体结构 二、几种常见粘土矿物的晶体构造 （3）伊利石 伊利石晶体结构示意图
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任务一：粘土矿物的晶体结构 二、几种常见粘土矿物的晶体构造
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任务一：粘土矿物的晶体结构 二、几种常见粘土矿物的晶体构造 一般情况下，随着地层深度的增加，伊利石含量增加蒙脱石含量减少， 因此，下部地层缩径现象少，以剥落掉块、坍塌为主。
矿物名称 高岭石 蒙脱石 伊利石
CEC 3-15 70-150 20-40
思考题：为什么伊利石单位晶胞所带负电荷比蒙脱石多，而CEC却比蒙脱 石小？
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任务一：阳离子交换量 阳离子交换容量（C.E.C, cation exchange capacity)
定义：分散介质pH=7时，100g粘土所能交换下来的阳离子的毫摩尔数（以 一价阳离子毫摩尔数表示）。 C.E.C可用来表示粘土在水中带电性的多少，它与粘土的水化分散、吸附等 性质密切相关。